Nghiên cứu điều khiển quá trình cháy động cơ cháy nén có kiểm soát hoạt tính nhiên liệu RCCI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu điều khiển q trình cháy
động cơ cháy nén có kiểm sốt hoạt tính
nhiên liệu (RCCI)
NGUYỄN THANH HẢI


Ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực

Giảng viên hƣớng dẫn:

PGS.TS Trần Quang Vinh
Chữ ký của GVHD

Viện:

Kỹ thuật Cơ khí động lực

HÀ NỘI, 06/2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU GIAO
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Học viên: Nguyễn Thanh Hải

Lớp: 17BĐCĐT.KH

Khóa: 2017B

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Trần Quang Vinh
1. Tên đề tài tốt nghiệp:
Nghiên cứu điều khiển quá trình cháy động cơ cháy nén có kiểm sốt hoạt tính
nhiên liệu (RCCI).
2. Các số liệu ban đầu:
 Dựa trên kết cấu và các thông số kỹ thuật của động cơ diesel Kubota
BD178F(E).
 Dựa trên các tài liệu và động cơ RCCI.
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
 Tổng quan về động cơ RCCI.
 Nghiên cứu xây dựng mơ hình RCCI bằng phần mềm AVL-Boost
 Xây dựng mơ hình mơ phỏng động cơ Kubota BD178F(E).
 Kết quả và thảo luận.
4. Số lƣợng và tên các bản vẽ (kích thƣớc Ao)
Số lượng bản vẽ thể hiện được các nội dung chính trong thuyết minh của luận
văn.
5. Ngày giao làm Luận văn tốt nghiệp:
6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ

: 30/05/2020

Hà Nội, ngày.......tháng ...... năm 2020
Giáo viên hƣớng dẫn

PGS.TS Trần Quang Vinh


Lời cảm ơn
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phịng
Đào tạo, Viện Cơ khí động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi
thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Phòng Đào
tạo và Viện Cơ khí động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt q trình tơi làm
luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn thầy Trần Quang Vinh đã hướng dẫn tơi hết
sức tận tình và chu đáo về mặt chun mơn. Cảm ơn Q thầy, cơ Bộ mơn và
Phịng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội ln
giúp đỡ để tơi có thể thực hiện và hồn thành luận án này.
Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong
hội đồng đánh giá luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp ý các ý kiến q báu để
tơi có thể hồn chỉnh luận văn này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.

Tóm tắt nội dung luận văn
Luận văn đã phân tích và đánh giá được tình hình nghiên cứu, sử dụng động
cơ cháy nén có kiểm sốt hoạt tính nhiên liệu (RCCI - Reactivity Controlled
Compression Ignition). Trên cơ sở đó, luận văn đã xây dựng mơ hình mơ phỏng
động cơ RCCI từ động cơ diesel nguyên bản bằng phần mềm AVL Boost. Đối
tượng nghiên cứu là động cơ Kubota BD178F - động cơ diesel một xylanh, bốn
kỳ, không tăng áp. Để làm việc theo nguyên lý cháy RCCI, động cơ diesel
nguyên bản cần phải cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu, với phương án phun
nhiên liệu xăng trên đường nạp và phun diesel trực tiếp vào buồng cháy động cơ.
Luận văn cũng đã đưa ra được một số phương án mở rộng vùng làm việc

của động cơ RCCI như thay đổi thời điểm phun nhiên liệu, phương pháp phun,
hình dạng đỉnh piston.
Kết quả tính tốn mơ phỏng q trình cháy cho thấy mơ hình đã xây dựng
có độ tin cậy cao, kết quả tính tốn khi động cơ làm việc ở chế độ RCCI phù hợp
với các các cơng trình nghiên cứu trước đây về động cơ RCCI.

Học viên thực hiện

Nguyễn Thanh Hải


Mục lục
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ RCCI .......................................... 1
1.1

1.2

1.3

Vấn đề tiêu thụ nhiên liệu và ô nhiễm môi trường .................................... 1
1.1.1

Vấn đề tiêu thụ nhiên liệu............................................................. 1

1.1.2

Vấn đề ô nhiễm môi trường .......................................................... 2

Động cơ nén cháy có kiểm sốt hoạt tính nhiên liệu (RCCI) .................... 5
1.2.1

Giới thiệu chung ........................................................................... 5

1.2.2

Nguyên lý làm việc của động cơ RCCI ........................................ 6

1.2.3

Q trình giải phóng nhiệt của động cơ RCCI ............................ 8

1.2.4

Sử dụng nhiêu liệu trong động cơ RCCI ...................................... 8

1.2.5

Tỉ lệ nhiên liệu ............................................................................ 11

1.2.6

Phương pháp phun nhiên liệu .................................................... 12

1.2.7

Tỉ số nén ..................................................................................... 14

1.2.8

Hình dạng đỉnh piston ................................................................ 14

Kết luận chương 1 .................................................................................... 16

CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM AVL
BOOST ................................................................................................................ 17
2.1

2.2

2.3

2.4

Phần mềm AVL Boost ............................................................................. 17
2.1.1

Giới thiệu phần mềm AVL Boost ................................................ 17

2.1.2

Tính năng cơ bản của phần mềm ............................................... 17

2.1.3

Ứng dụng của phần mềm AVL Boost ......................................... 18

Cơ sở lý thuyết và giao diện của phần mềm AVL Boost ......................... 18
2.2.1

Giao diện người dùng................................................................. 18

2.2.2

Cơ sở lý thuyết ............................................................................ 23

2.2.3

Mơ hình cháy .............................................................................. 26

2.2.4

Mơ hình hỗn hợp nhiên liệu ....................................................... 27

2.2.5

Mơ hình truyền nhiệt .................................................................. 28

2.2.6

Mơ hình tính tốn các thành phần khí thải động cơ .................. 32

Các bước xây dựng mơ hình trên phần mềm AVL Boost ........................ 33
2.3.1

Quy trình chung .......................................................................... 33

2.3.2

Lựa chọn các phần tử cần thiết .................................................. 33

Kết luận chương 2 .................................................................................... 35

CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MƠ PHỎNG ..................................... 36


3.1

Xây dựng mơ hình .................................................................................... 36

3.2

Nhập dữ liệu cho các phần tử ................................................................... 38
3.2.1

Phần tử đường ống ..................................................................... 38

3.2.2

Phần tử điểm đo .......................................................................... 39

3.2.3

Phần tử bình ổn áp ...................................................................... 40

3.2.4

Phần tử xylanh ............................................................................ 40

3.2.5

Phần tử vòi phun ........................................................................ 42

3.3

Các chế độ mơ phỏng ............................................................................... 43

3.4

Hiệu chỉnh mơ hình và đánh giá độ tin cậy của mơ hình ......................... 43

3.5

Kết luận chương 3 .................................................................................... 46

CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ TÍNH TỐN MƠ PHỎNG ..................................... 47
4.1
So sánh kết quả của động cơ khi chạy nguyên bản và khi chuyển sang chế
độ RCCI................................................................................................................ 47
4.2

Đánh giá ảnh hưởng của góc phun sớm đến đặc tính của động cơ RCCI 51

4.3

Kết luận chương 4 .................................................................................... 58

KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................... 59
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 60

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Hàm lượng các chất khí trong khí xả động cơ [3] .................................. 2
Hình 1.2 Xu hướng phát triển của động cơ xăng và diesel [3] .............................. 5
Hình 1.3 Bố trí vị trí phun nhiên liệu trong động cơ RCCI ................................... 7
Hình 1.4 Phân vùng trên đỉnh buồng cháy động cơ diesel..................................... 7
Hình 1.5 Kích thước muội và phân bố bên trong buồng cháy ............................... 7
Hình 1.6 Biểu đồ tỷ lệ giải phóng nhiệt [3]. .......................................................... 8
Hình 1.6 Tốc độ tỏa nhiệt và giá trị đỉnh của nhiệt tỏa ra khi thay đổi thời điểm
bắt đầu phun [3]. .................................................................................................. 13
Hình 1.7 Nhiệt lượng giải phóng với các góc phun khác nhau [3] ...................... 14
Hình 1.8 Hình dạng của các đỉnh piston trong động cơ RCCI. ........................... 15
Hình 2.1 Cửa sổ khởi động của phần mềm AVL Boost ...................................... 19
Hình 2.2 Cửa sổ giao diện chính của phần mềm ................................................. 19
Hình 2.3 Cân bằng năng lượng trong xylanh [5] ................................................. 25
Hình 2.4 Giao diện các thơng số điều chỉnh ban đầu ........................................... 27
Hình 2.5 Giao diện mơ tả sự thiết lập mơ hình hỗn hợp nhiên liệu ..................... 27
Hình 3.1 Hình ảnh bố trí động cơ thử nghiệm ..................................................... 36
Hình 3.2 Mơ hình cháy của động cơ Kubota BD178F ........................................ 37
Hình 3.3 Khai báo dữ liệu chung cho phần tử đường ống ................................... 38
Hình 3.4 Khai báo dữ liệu chung cho phần tử điểm đo. ...................................... 39
Hình 3.5 Khai báo dữ liệu chung cho phần tử bình ổn áp ................................... 40
Hình 3.6 Khai báo các thông số của nhiên liệu thay thế cho phần tử vịi phun I1
.............................................................................................................................. 43
Hình 3.7 Đồ thị so sánh momen, công suất giữa mô phỏng và thực tế ............... 44
Hình 3.8 Đồ thị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu giữa mơ phỏng và thực tế........ 44
Hình 3.9 Đồ thị so sánh phát thải CO, NOx giữa mô phỏng và thực tế ............... 45
Hình 3.10 Đồ thị so sánh phát thải PM giữa mô phỏng và thực tế. ..................... 45
Hình 4.1 Đồ thị so sánh diễn biến nhiệt độ trong buồng cháy tại momen 2Nm .. 47
Hình 4.2 Đồ thị so sánh diễn biến nhiệt độ trong buồng cháy tại momen 6Nm .. 47

Hình 4.3 Đồ thị so sánh diễn biến nhiệt độ trong buồng cháy tại momen 10Nm 48
Hình 4.4 Cơng suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ nguyên bản và động
cơ RCCI ................................................................................................................ 48


Hình 4.5 Lượng phát thải NOx ............................................................................ 49
Hình 4.6 Lượng phát thải PM .............................................................................. 50
Hình 4.7 Lượng phát thải CO............................................................................... 50
Hình 4.8 Diễn biến nhiệt độ bên trong buồng cháy tại 2Nm ............................... 51
Hình 4.9 Diễn biến nhiệt độ bên trong buồng cháy tại 6Nm ............................... 52
Hình 4.10 Diễn biến nhiệt độ bên trong buồng cháy tại 10Nm ........................... 52
Hình 4.11 Diễn biến áp suất bên trong buồng cháy tại momen là 2Nm .............. 53
Hình 4.12 Diễn biến áp suất bên trong buồng cháy tại momen là 6Nm .............. 53
Hình 4.13 Diễn biến áp suất bên trong buồng cháy tại momen là 10Nm ............ 54
Hình 4.14 Suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải PM của động cơ RCCI tại
momen là 2Nm ..................................................................................................... 54
Hình 4.15 Suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải PM của động cơ RCCI tại
momen là 6Nm ..................................................................................................... 55
Hình 4.16 Suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải PM của động cơ RCCI tại
momen là 10Nm ................................................................................................... 55
Hình 4.17 Phát thải CO và NOx của động cơ RCCI tại momen 2Nm ................. 56
Hình 4.18 Phát thải CO và NOx của động cơ RCCI tại momen 6Nm ................. 56
Hình 4.19 Phát thải CO và NOx của động cơ RCCI tại momen 10Nm ............... 57


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Đặc tính của nhiên liệu phụ gia nâng chỉ số cetan .............................. 11
Bảng 1.2 Ảnh hưởng của các thông số khi thay đổi tỉ lệ LRF ............................ 12
Bảng 2.1 Các biểu tượng và chức năng của các biểu tượng. ............................... 20
Bảng 2.2 Các biểu tượng và chức năng các đối tượng trên mơ hình ................... 20

Bảng 2.3 Các phản ứng hình thành Nox trong khí xả .......................................... 32
Bảng 3.1 Thông số cơ bản động cơ Kubota BD178F .......................................... 36
Bảng 3.2 Chi tiết các thông số nhập cho phần tử đường ống trên mơ hình ......... 38
Bảng 3.3 Chi tiết các thông số nhập cho phần tử điểm đo trong mơ hình .......... 39
Bảng 3.4 Chi tiết các thơng số nhập cho phần tử bình ổn áp trên mơ hình ......... 40
Bảng 3.5 Nhập thơng số cho xylanh .................................................................... 41
Bảng 3.6 Thể hiện các thông số độ nâng xupap nạp theo góc quay trục khuỷu . 41
Bảng 3.7 Thể hiện các thông số độ nâng xupap thải theo góc quay trục khuỷu .. 42


DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
CCS

Combined Combustion System (Hệ thống cháy kết hợp)

RCCI

Reactivity Controlled Compression Ignition (Nén cháy kiểm sốt
hoạt tính nhiên liệu)

LTC

Low Teamperature Combustion (Cháy nhiệt độ thấp)

PFI

Port Fuel Injector (Phun ở cửa nạp)

LRF

Low Reactivity Fuel (Nhiên liệu hoạt tính thấp)

HRF

High Reactivity Fuel (Nhiên liệu hoạt tính cao)

LTHR

Low Temperature Heat Release (Tốc độ tỏa nhiệt ở nhiệt độ thấp)

HTHR

High Temperature Heat Release (Tốc độ tỏa nhiệt ở nhiệt độ cao)

CA

Crank Angle (Góc quay trục khuỷu)

SCR

Selective Catalytic Reduction (Xử lý xúc tác chọn lọc)

ATDC

After Top Dead Center (Sau điểm chết trên)

BTDC

Before Top Dead Center (Trước điểm chết trên)

CDC

Conventional Diesel Combustion (Buồng cháy diesel truyền thống)

NG

Natural Gas (Khí thiên nhiên)

PM

Particualte Matter (Khí thải dạng hạt)

EGR

Exhaust Gas Recirculation (Luân hồi khí thải)

IMEP

Indicated Mean Effective Pressure (Áp suất chỉ thị trung bình)

UHC

Unburned Hydrocacbon (Hydrocacbon chưa cháy)

CTCT

Chu trình cơng tác

ĐCĐT

Động cơ đốt trong

ĐCT

Điểm chết trên


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ RCCI
1.1 Vấn đề tiêu thụ nhiên liệu và ô nhiễm môi trƣờng
1.1.1 Vấn đề tiêu thụ nhiên liệu
Nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt và mức phát thải từ các phương tiện giao
thông chiếm tỷ trọng lớn đòi hỏi động cơ đốt trong hiện đại cần có hiệu suất nhiệt
cao hơn và cháy sạch hơn. Lượng phát thải các chất gây ô nhiễm không khí từ
các phương tiện giao thơng như nitrogen oxides (NOx), hạt bồ hóng (PM), carbon
monoxide (CO), hydrocacbon (HC), carbon dioxide (CO2)… chiếm khoảng 4555% tổng lượng phát thải toàn cầu. Hàng năm, toàn thế giới thải ra trên dưới 37 tỉ
tấn CO2, đóng góp một phần đáng kể vào khí thải nhà kính, gây một mối lo ngại
lớn về biến đổi khí hậu tồn cầu. Vấn đề ơ nhiễm khơng khí ảnh hưởng nghiêm
trọng đến mơi trường sống, sức khỏe con người và sinh vật trên Trái Đất. Do đó,
hầu hết các quốc gia trên thế giới đều có những biện pháp giới hạn nghiêm ngặt
về mức phát thải của các phương tiện giao thơng.
Mặt khác, tính chung mỗi ngày trên thế giới tiêu thụ khoảng 86 triệu thùng
dầu thô, trong đó 70% dùng cho động cơ đốt trong. Với xu hướng trên, các
nghiên cứu phát triển động cơ ngày nay, bao gồm cả động cơ xăng và động cơ
diesel có một ý nghĩa hết sức quan trọng, bởi lẽ chỉ cần một cải thiện hiệu suất
nhỏ nhưng với số lượng động cơ lớn cũng mang lại một tác động rất lớn tới kinh
tế và mơi trường.
Mặc dù có một số điểm hạn chế về hiệu suất sử dụng năng lượng và phát
thải nhưng động cơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch vẫn cịn khá phổ biến. Đã có
nhiều đề xuất thay thế động cơ đốt trong bằng các nguồn động lực có hiệu suất sử
dụng năng lượng cao hơn như động cơ Stirling, động cơ Wankel, động cơ dùng

năng lượng mặt trời, động cơ hydrogen…nhưng do phức tạp, chi phí cao, khó áp
dụng vào thực tế nên hiện chỉ dừng ở mức độ tiềm năng, cần được nghiên cứu và
hoàn thiện thêm. Các loại xe hybrid hoặc xe điện có ưu điểm khi áp dụng cho các
phương tiện nhỏ nhưng rất bất lợi khi áp dụng trên các phương tiện có tải trọng
lớn địi hỏi tính bền bỉ và khoảng cách di chuyển dài. Mặt khác, hiệu suất của các
máy phát điện thường thấp hơn 50% chưa kể đến các thất thốt khác trong q
trình sản xuất điện. Hơn nữa, mất mát trong quá trình lưu trữ điện năng cũng
đáng kể mặc dù hiệu suất sử dụng của động cơ điện cũng có thể đạt đến 90%. Đó
là những hạn chế rất lớn khi áp dụng xe điện vào thực tế.
Xét chung lại, với chi phí hợp lý, bền bỉ, tiện lợi cùng với việc sử dụng
nhiên liệu phổ biến, dễ dàng tìm thấy hầu như ở mọi nơi thì động cơ đốt trong
vẫn là ưu tiên hàng đầu, chưa thể thay thế hoàn toàn trong tương lai gần. Tuy
nhiên, việc cải thiện hiệu suất động cơ cũng như phát triển các mẫu động cơ mới
sử dụng các loại nhiên liệu thay thế, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch
là rất cần thiết.
Những nghiên cứu trên động cơ đốt trong ngày nay thường tập trung vào
quá trình cháy của nhiên liệu, thành phần hóa học của nhiên liệu, nâng cao chất
1


lượng hòa trộn của hỗn hợp cháy để cải thiện hiệu suất của động cơ. Nhiều mơ
hình cháy với hiệu suất cao, phát thải ô nhiễm thấp đã ra đời, như động cơ cháy ở
nhiệt độ thấp (LTC–Low Temperature Combustion). Việc cháy ở nhiệt độ thấp
mang lại hiệu suất cao hơn động cơ diesel thơng thường (có thể đạt tới 60%),
đồng thời nhiệt độ buồng cháy thấp nên sẽ giảm đáng kể lượng phát thải NOx và
các thành phần độc hại.
1.1.2 Vấn đề ô nhiễm môi trường
Cùng với sự tăng trưởng về số lượng ô tô, một mâu thuẫn nảy sinh trong sự
phát triển của xã hội là vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ
ơ tơ, xe máy thải ra vào khơng khí quanh ta. Nguồn ô nhiễm này trở thành mối đe

dọa chính cho cuộc sống của con người, đặc biệt là ở các thành phố có mật độ xe
cơ giới cao, mối nguy hiểm này càng lớn. Đa phần những chất do động cơ thải ra
là những chất gây ô nhiễm.
Ngày nay, hơn 30% lượng khí thải gây ơ nhiễm mơi trường đến từ các
phương tiện giao thông. Ngay sau khi xe khởi động động cơ, tức thì, hệ thống
ống xả của xe sẽ bắt đầu thải khí. Đa phần, khi nhắc đến khí thải ơtơ mọi người
thường nghĩ ngay đến CO2 nhưng sự thật khơng chỉ có vậy, đây cũng chưa phải
thành phần có tác hại nhất đến sức khỏe con người. Hình 1.1 là đồ thị thể hiện
hàm lượng các chất khí của khí xả động cơ đốt trong.

Hình 1.1 Hàm lượng các chất khí trong khí xả động cơ [3]

Hầu hết các dòng xe sử dụng động cơ hiện đại thì sạch hơn những xe sử
dụng các loại động cơ cũ. Do các hãng xe đều có những thay đổi nhất định nhằm
làm giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính và khí thải gây ơ nhiễm mơi
trường, có thể kể đến biện pháp downsizing tức là sử dụng những động cơ cỡ
bé kết hợp với bộ tăng áp cho ra công suất tương tự động cơ cỡ lớn, hay trang bị
bộ xử lý xúc tác khí thải trên đường thải. Các thành phần chính có trong khí thải
2


động cơ có thể được mơ tả vắn tắt như dưới đây.
1.1.2.1 Carbon dioxide (CO2)
Là chất khí chiếm tỷ lệ cao nhất trong tổng lượng khí thải thốt ra từ ống xả
của ô tô sau khi động cơ xe khởi động. Lượng khí này tan vào bầu khí quyển, kết
hợp với một số loại khí khác gây nên hiện tượng hiệu ứng nhà kính khiến trái đất
nóng dần lên. Hậu quả của việc này là khí hậu trái đất diễn biến thất thường theo
chiều hướng tiêu cực và làm tăng tốc độ tan chảy những dịng sơng băng ở Bắc
Cực khiến nước biển dâng cao.
Tuy các nhà sản xuất đã ứng dụng nhiều công nghệ tiên tiến nhằm giảm

thiểu tối đa lượng khí CO2 thốt ra khỏi ống xả ơ tơ nhưng đến nay, thậm chí,
những chiếc xe được xem là sạch nhất cũng thải ra gần 100g/km. Những chiếc
xe động cơ xăng, dầu mạnh hơn cịn có thể thải ra một lượng CO2 cao gấp 5 lần
hàm lượng nói trên.
1.1.2.2 Carbon monoxide (CO)
Carbon monoxide (CO) là khí thải độc hại thốt ra đường thải động cơ có
hàm lượng chỉ đứng sau CO2 là (hình 1.1). CO là kết quả của quá trình đốt cháy
nhiên liệu trong điều kiện thiếu ôxi, thường xảy ra khi khởi động lạnh.
CO làm giảm khả năng lưu thông oxy trong máu khiến cho cơ thể người yếu
đi. Chỉ cần một lượng rất nhỏ khí CO cũng có thể làm cho tim đập nhanh hơn và
tăng nguy cơ mắc bệnh tim.
Ngồi ra, khí CO cịn có thể kết hợp với một số chất khí khác để tạo ra khí
ozone nồng độ cao gây ảnh hưởng khơng tốt đến sức khỏe con người. Khí ozone
khi nằm trên tầng khí quyển cách mặt đất hơn 30km có tác dụng bảo vệ con
người khỏi tia cực tím từ ánh nắng mặt trời, giảm nguy cơ gây bệnh ung thư da
và làm đục nhân mắt. Nhưng khi loại khí này tồn tại bên cạnh chúng ta thì lại rất
độc hại bởi khi hít phải khí ozone, chức năng hoạt động của phổi sẽ giảm và đó
chính là điều kiện lý tưởng để các bệnh liên quan đến đường hô hấp phát triển.
Tuy nhiên, hàm lượng khí CO thải ra từ ống xả đã giảm đến 90% do các nhà
sản xuất đã trang bị bộ xử lý xúc tác trên đường thải giúp chuyển hóa phần lớn
khí CO thành CO2 trước khi thải ra ngồi khơng khí.
1.1.2.3 Nitrogen oxides (NOx)
Là hỗn hợp khí bao gồm NO, nitrous oxide (N2O) và nitrogen dioxide
(NO2), tạo thành từ các phản ứng giữa oxy và nitơ có trong khơng khí trong mơi
trường nhiệt độ cao bên trong buồng cháy động cơ.
Đây là những loại khí làm tăng hiệu ứng nhà kính và cực kỳ có hại đối với
sức khỏe của con người, đặc biệt, nó có khả năng làm tăng các bệnh về đường hơ
hấp, mắt, mũi… Hàm lượng khí NOx thải ra từ ống xả của xe tuy khơng nhiều
bằng hàm lượng khí CO2 nhưng độc tính thì cao gấp hàng trăm lần. Tương tự
như CO, khí NOx có khả năng phản ứng với một số chất khác trong khơng khí

3


tạo ra khí ozone ở hạ tầng khí quyển gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe
của con người, đồng thời, góp phần tạo ra mưa axit gây hại cho sự phát triển của
cây cối. Khí NOx tồn tại nhiều ở các vùng đơ thị có nhiều phương tiện hoạt động.
Tại Anh, xe ô tô được xem là thủ phạm chính tạo ra hơn nửa lượng khí NOx sản
sinh ra do q trình hoạt động của con người. Trong đó, các loại xe sử dụng động
cơ diesel có hàm lượng khí NOx thải ra nhiều gấp 5 lần so với xe động cơ xăng
tương đương.
Các bộ xúc tác 3 thành phần chỉ làm việc hiệu quả với động cơ xăng thơng
thường có tỷ lệ hịa khí ở vùng  1 và khơng hiệu quả trong việc giảm lượng khí
NOx thải ra với động cơ diesel hay phun xăng trực tiếp. Do đó, những động cơ
này cịn được trang bị thêm bộ xử lý xúc tác chọn lọc (SCR - Selective Catalytic
Reduction) với động cơ diesel hoặc bộ tích trữ NOx (NOx accumulation) với
động cơ phun xăng trực tiếp. Trong đó, bộ chuyển đổi SCR sử dụng các phản
ứng hóa học nhằm chuyển hóa NOx độc hại thành N2 trung tính; bộ tích trữ NOx
sẽ lưu giữ lại NOx khi động cơ xăng làm việc ở vùng hỗn hợp nghèo và xả ra khi
hỗn hợp động cơ làm việc vùng  1 để bộ xúc tác 3 thành phần xử lý.
1.1.2.4 Chất thải dạng hạt (PM - Particulate matter)
Những tạp chất dạng hạt nhỏ li ti, bao gồm các phân tử cácbon, HC và hỗn
hợp rắn của lưu huỳnh và một số chất khác, chủ yếu có trong thành phần khí thải
động cơ diesel. Động cơ xăng cũng phát thải PM nhưng với hàm lượng thấp.
PM có thể coi như những hạt bụi siêu nhỏ nên có khả năng xâm nhập vào
phổi dễ dàng hơn. Đặc biệt, những hạt PM2.5 (đường kính hạt bé hơn 2,5 m) đã
bị Tổ chức Y tế thế giới (WHO) xếp vào một trong các tác nhân gây ung thư.
Chúng có khả năng di chuyển hàm trăm km và tồn tại trong khơng khí hàng tuần
liền.
Từ tháng 9/2009, chính phủ các nước châu Âu đã áp dụng tiêu chuẩn khí
thải Euro V. Theo đó, tất cả những chiếc xe mới phải có mức phát thải PM dưới

0,05g/km. Để đáp ứng tiêu chuẩn này, các nhà sản xuất đã trang bị cho xe một bộ
lọc hạt (PM filter), giúp giữ lại phần lớn PM thải ra từ động cơ.
1.1.2.5 Hydrocarbons (HC)
Ngoài CO2, CO, NOx và chất thải dạng hạt (PM), động cơ cịn thải ra hỗn
hợp khí hydrocarbon, bao gồm benzene và isoctane, rất độc hại. Xe động cơ xăng
thải ra nhiều khí hydrocarbon hơn những động cơ diesel tương đương.
Benzene là một loại độc tố cản trở quá trình sản xuất máu của cơ thể và gây
ra bệnh thiếu máu. Mới đây, cơ quan nghiên cứu ung thư quốc tế (IARC) cũng
xác định, benzene còn là một tác nhân gây ung thư, làm nhiễm độc xương và có
thể gây bệnh bạch cầu. Hydrocarbon có thể giảm bằng cách rút ngắn thời gian
sấy nóng máy và sấy nóng bộ xúc tác ba thành phần, hoặc tạo điều kiện xúc tác
tốt bằng cách phun thêm khí sạch vào đường thải thơng qua hệ thống phun khí
thứ cấp.
4


1.1.2.6 Một số loại chất thải khác
Ngoài các thành phần chất thải nêu trên cịn có một số loại khí thải khác
thoát ra từ đường thải động cơ, bao gồm sulphur dioxide (SO2), mêtan (CH4),
ozone (O3). SO2 gây ra mưa axit, khiến bệnh hen suyễn nặng thêm và có nguy cơ
gây tổn thương đường hơ hấp. CH4 khơng có tác hại đến sức khỏe của con người
nhưng lại ảnh hưởng đến hiệu ứng nhà kính. O3 lại rất độc hại cho hệ thống hô
hấp của con người.
1.2 Động cơ nén cháy có kiểm sốt hoạt tính nhiên liệu (RCCI)

1.2.1

Giới thiệu chung

Xu hướng phát triển trong động cơ đốt trong ngày nay chủ yếu tập trung vào

các mục tiêu chính là nâng cao hiệu quả làm việc của động cơ, nâng cao tính kinh
tế nhiên liệu, giảm các thành phần phát thải độc hại. Các giải pháp để đạt được
các mục tiêu trên bao gồm nghiên cứu cải thiện và nâng cao hiệu quả quá trình
cháy, nghiên cứu các phương án hình thành hỗn hợp cháy mới, nghiên cứu các
giải pháp giảm phát thải và xử lí khí thải. Hình 1.2 cho thấy xu hướng phát triển
của hai loại động cơ này.

Hình 1.2 Xu hướng phát triển của động cơ xăng và diesel [3]

Có thể thấy rằng hai loại động cơ xăng và diesel cùng hướng tới phương
pháp cháy kết hợp giữa xăng và diesel (CCS - Combined Combustion System).
Mục đích cuối cùng là giảm tiêu hao nhiên liệu, khí thải và PM.
Động cơ xăng phát triển từ phun xăng trên đường ống nạp (intake manifold
injection) lên phun xăng trực tiếp (direct injection), tăng áp (supercharging),
phun áp suất cao (high-pressure injection), đến hoạt động ở chế độ tự cháy trong
một vài chế độ (self-igniting in some cases).
Động cơ diesel phát triển từ động cơ sử dụng buồng cháy phụ (whirl
chamber) lên phun trực tiếp (direct injection), tăng áp (supercharging), phun áp
5


suất cao (high-pressure injection), đến hoạt động ở chế độ hỗn hợp đồng nhất
trong một vài chế độ (homogeneous in some cases) với đại diện là động cơ RCCI
(động cơ cháy nén có kiểm sốt hoạt tính nhiên liệu).
Động cơ cháy nén có kiểm sốt hoạt tính nhiên liệu (RCCI) là một hướng
phát triển mới của mơ hình động cơ cháy ở nhiệt độ thấp nhằm giải quyết bài
toán về năng lượng, mơi trường và nâng cao tính kinh tế của động cơ. Động cơ
RCCI sử dụng hai nhiên liệu, trong đó việc điều khiển q trình cháy thơng qua
điều khiển quá trình phản ứng của nhiên liệu bằng cách điều khiển trực tiếp tỷ lệ
hỗn hợp nhiên liệu tương ứng với từng điều kiện hoạt động cụ thể của động cơ.

Mức phát thải NOx và PM có thể thỏa mãn tiêu chuẩn khí thải hiện tại mà khơng
cần các thiết bị xử lí khí thải diesel (SCR, DPF). Các cặp nhiên liệu có thể được
sử dụng trong động cơ RCCI là hỗn hợp xăng và diesel, ethanol và bio-diesel,
xăng và xăng pha thêm phụ gia làm tăng chỉ số cetane.
Động cơ cháy ở nhiệt độ thấp (LTC), điển hình là động cơ RCCI, là một
hướng phát triển mới cho ngành động cơ đốt trong trên thế giới nói chung và ở
Việt Nam nói riêng. Tuy nhiên ở Việt Nam thì việc nghiên cứu các loại động cơ
cháy ở nhiệt độ thấp cịn khá mới mẻ. Với những lợi ích mà động cơ RCCI mang
lại thì việc nghiên cứu, thiết kế và điều khiển quá trình cháy nén trên động cơ này
có ý nghĩa thực tiễn rất lớn đối với kinh tế và môi trường.
1.2.2

Nguyên lý làm việc của động cơ RCCI

Động cơ RCCI là động cơ đốt trong sử dụng ít nhất hai loại nhiên liệu khác
nhau với nhiều phương thức phun và điều chỉnh tỉ lệ EGR thích hợp để tối ưu
q trình cháy. Nhờ đó, đạt được hiệu suất nhiệt cao, NOx và phát thải PM thấp.
Nhiên liệu sử dụng trong động cơ RCCI gồm hai loại riêng biệt (Hình 1.3):
- Nhiên liệu hoạt tính thấp (LRF): xăng thường được lựa chọn làm LRF,
được phun vào xy lanh thông qua hệ thống phun trên đường ống nạp (Port Fuel
Injector) và hịa trộn với khơng khí trong suốt kỳ nạp.
- Nhiên liệu hoạt tính cao (HRF): HRF ở đây là nhiên liệu diesel, được
phun trực tiếp vào xy lanh trong kỳ nén với số lần phun có thể là 1, 2 hay 3 lần.
Trong đó, lần phun sớm HRF hướng tới những vùng thể tích bị chèn trong xy
lanh (squish region) (Hình 1.4). Đây là khu vực hình thành nhiều muội trong quá
trình cháy (Hình 1.5). Thời điểm phun muộn HRF đóng vai trị là nguồn lửa
chính để sinh công.

6

Hình 1.3 Bố trí vị trí phun nhiên liệu trong động cơ RCCI

Hình 1.4 Phân vùng trên đỉnh buồng cháy động cơ diesel

Hình 1.5 Kích thước muội và phân bố bên trong buồng cháy

Theo kết quả nghiên cứu từ các cơng trình đã cơng bố, động cơ RCCI có
khả năng vận hành trên một vùng tải rộng của động cơ (4.6-14.6 bar) với mức
phát thải NOx gần bằng 0, phát thải bồ hóng đạt tiêu chuẩn, tỉ lệ tăng áp suất và
độ ồn chấp nhận được và đạt được hiệu suất chỉ thị cao. Khi so sánh động cơ
RCCI và một động cơ diesel 1 xy lanh, 4 kỳ thông thường, có thể thấy được phát
thải NOx và bồ hóng giảm trong khi đó hiệu suất chỉ thị tăng khoảng 16,4%.
7


Phản ứng trong động cơ RCCI được chia làm 2 loại:
- Phản ứng toàn cục: phản ứng này được xác định đơn thuần từ khối lượng
của từng loại nhiên liệu và hoạt tính của chúng (chỉ số octan và xetan).
- Phản ứng phân lớp: khơng thể dự đốn trước và phụ thuộc vào chiều dài
tia phun và sự hòa trộn của nhiên liệu phun trực tiếp với hịa khí. Phản ứng phân
lớp có thể làm trễ thời điểm bắt đầu cháy, giảm tỉ lệ nhiệt lượng giải phóng và
giảm tỉ lệ tăng áp suất. Điều này lí giải tại sao động cơ RCCI có thể vận hành
trên một vùng tải rộng.
Với động cơ RCCI, thời điểm cháy bắt đầu xuất hiện với nhiên liệu được
phun trực tiếp do nó là nhiên liệu hoạt tính cao (chỉ số xetan cao), sau đó hướng
đến vị trí của nhiên liệu hoạt tính thấp (chỉ số octan cao). Tuy nhiên, sự lan tràn
màng lửa còn phụ thuộc vào loại động cơ, thời điểm phun nhiên liệu và góc phun
của tia phun.
1.2.3

Q trình giải phóng nhiệt của động cơ RCCI

Q trình giải phóng nhiệt của động cơ RCCI gồm 2 quá trình nhỏ (Hình
1.6):
- Giải phóng nhiệt nhiệt độ thấp (Low Temperature Heat Release): đỉnh
của LTHR chủ yếu phụ thuộc vào nhiên liệu hoạt tính cao với hiệu suất nhiệt âm.
- Giải phóng nhiệt nhiệt độ cao (High Temperature Heat Release): hầu hết
dựa vào nhiên liệu được hịa trộn trước (LRF).

Hình 1.6 Biểu đồ tỷ lệ giải phóng nhiệt [3].

Ví dụ, với động cơ RCCI sử dụng nhiên liệu ethanol/n-heptane, khi tăng
lượng ethanol cùng với đó giảm lượng n-heptane thì vùng làm việc của LTHR sẽ
mở rộng, kéo dài hơn và đỉnh của nó sẽ thấp đi. Tương tự, với một động cơ RCCI
sử dụng nhiên liệu xăng/diesel, khi tăng lượng xăng thì đỉnh của LTHR sẽ giảm
và của HTHR được tăng lên.
1.2.4

Sử dụng nhiêu liệu trong động cơ RCCI

Sử dụng nhiên liệu trong động cơ RCCI là một vấn đề rất được quan tâm, có
8


rất nhiều loại nhiên liệu có thể được lựa chọn. Trong những năm qua, các nhà
khoa học tập trung nghiên cứu kết hợp các loại nhiên liệu LRF và HRF khác
nhau. Hiện tại có hai phương pháp sử dụng nhiên liệu chính đối với động cơ
RCCI là: phương pháp lưỡng nhiên liệu và đơn nhiên liệu. Phương pháp lưỡng
nhiên liệu là sử dụng hai loại nhiên liệu khác nhau để tạo hịa khí trong buồng

cháy. Do đó, cần hai thùng chứa nhiên liệu khác nhau trên phương tiện. Phương
pháp đơn nhiên liệu thì thêm một số chất phụ gia để thay thế nhiên liệu phản ứng
giúp tiết kiệm không gian bố trí hơn do chỉ cần sử dụng một thùng chứa nhiên
liệu.
1.2.4.1. Phương pháp lưỡng nhiên liệu
a. Nhiên liệu hoạt tính thấp
Các nghiên cứu về động cơ RCCI hầu hết lựa chọn sử dụng nhiên liệu
xăng/diesel. Tuy nhiên, ngoài nhiên liệu xăng thì khí thiên nhiên cũng nhận được
nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Nhiên liệu cồn như ethanol, methanol
cũng được thử nghiệm trong động cơ RCCI. Trong tất cả các nghiên cứu thì
nhiên liệu diesel ln đóng vai trị là nhiên liệu hoạt tính cao, chỉ có nhiên liệu
hoạt tính thấp thay đổi.
Xăng là nhiên liệu được sử dụng phổ biến và rộng rãi, đây là một lợi thế khi
sử dụng xăng làm nhiên liệu hoạt tính thấp trong động cơ RCCI. Do đó, nhiều
nghiên cứu trên động cơ RCCI vẫn tập trung vào việc sử dụng xăng như một
nhiên liệu tiềm năng. Tuy nhiên, nó phải đối mặt với vấn đề thiếu hụt nhiên liệu
và sự tạo thành bồ hóng do trong thành phần hóa học của xăng có chứa nhân
thơm.
Khí thiên nhiên nén (CNG - Compressed Natural Gas) là một loại nhiên liệu
hóa thạch khơng thể tái tạo giống như xăng. Khí thiên nhiên là hỗn hợp bao gồm
phần lớn là methane và các thành phần khác như ethane, propane, nitrogen,
cacbon dioxide… Trong thành phần hóa học của khí thiên nhiên khơng chứa
nhân thơm giúp hạn chế việc hình thành bồ hóng. Giá thành của khí thiên nhiên
cũng thấp hơn so với xăng. Chỉ số octane của khí thiên nhiên cao hơn so với
xăng nên sẽ phù hợp với những động cơ có tỉ số nén cao. Hơn nữa, khi sử dụng
kết hợp cùng với một loại nhiên liệu hoạt tính cao thì khí thiên nhiên có sự khác
biệt về hoạt tính lớn hơn so với xăng. Nhiệt trị thấp của khí tự nhiên cũng thấp
hơn so với xăng. Từ các phân tích trên, có thể thấy khí thiên nhiên là một nhiên
liệu thay thế đầy tiềm năng.
Các loại cồn như methanol, ethanol, iso-butanol là những nhiên liệu có thể

thay thế cho xăng. Một trong những ưu điểm của nhiên liệu cồn là nó có thể tái
tạo được. Nhiên liệu cồn có chỉ số octane cao phù hợp với những động cơ cháy
nén để giảm kích nổ, trong khi vẫn tạo ra một gradient phản ứng lớn. Một ưu
điểm khác của cồn là nhiệt độ hóa hơi cao, nhờ đó tăng hấp thụ nhiệt trong quá
trình bay hơi nhiên liệu, làm tăng hiệu quả làm mát và giảm nhiệt độ khí cháy
dẫn đến giảm sự hình thành NOx. Hơn nữa, trong thành phần cồn có oxy và
9


khơng có nhân thơm nên giảm thiểu phát thải bồ hóng.
Tuy nhiên, nhiệt trị thấp của cồn chỉ bằng một nửa so với xăng và khí thiên
nhiên nên mật độ năng lượng thấp, dẫn đến việc tăng nhiên liệu tiêu thụ khi sử
dụng cho cùng loại động cơ. Nghiên cứu chỉ ra rằng khi sử dụng methanol/diesel
có thể mở rộng vùng tải động cơ lên đến 12 bar IMEP mà khơng cần sử dụng hệ
thống ln hồi khí xả. Ngược lại, nếu sử dụng xăng/diesel thì khi áp suất vượt
quá 7 bar IMEP [3] phải sử dụng hệ thống luân hồi khí xả.
Tóm lại, sử dụng khí thiên nhiên, ethanol, methanol làm nhiên liệu hoạt tính
thấp trên động cơ RCCI có thể mở rộng vùng làm việc của động cơ so với dùng
xăng khi sử dụng cùng một nhiên liệu hoạt tính cao. Trong ba nhiên liệu thay thế,
methanol và ethanol cho hiệu quả làm mát tốt hơn và trong thành phần hóa học
có chứa oxy giúp giảm được NOx và bồ hóng. Tuy nhiên, mật độ năng lượng
thấp của nhiên liệu cồn dẫn đến lượng tiêu thụ nhiên liệu cao hơn nếu muốn giữ
công suất động cơ không thay đổi.
b. Nhiên liệu hoạt tính cao
Nhiên liệu hoạt tính cao (HRF) thường được sử dụng là diesel và biodiesel.
Diesel là nhiên liệu không thể tái tạo, trữ lượng diesel hiện tại cịn có thể sử dụng
trong vịng 50 năm và chỉ tập trung ở một số vùng trên thế giới [3]. Do đó, nhiều
quốc gia phải đối mặt với tình trạng thiếu hụt năng lượng và phụ thuộc dầu. Điều
này thúc đẩy việc khám phá, sử dụng nhiên liệu tái tạo. Biodisel là nhiên liệu có
thể tái tạo và được xem xét để sử dụng trong động cơ đốt trong. Điều này có thể

giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải khí nhà kính và
những chất gây ơ nhiễm khác.
Thành phần hóa học của biodiesl gồm có axit béo và methyl hoặc ethyl
esters được làm từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật, phù hợp để sử dụng trong
động cơ diesel. Đặc điểm của từng loại biodiesel phụ thuộc vào nguồn gốc và
chất lượng của chúng. Biodisel đã được kiểm nghiệm trên nhiều loại động cơ với
nhiều chế độ vận hành khác nhau. Phát thải NOx tăng lên do trong thành phần
hóa học của biodiesel có chứa oxy. Tuy nhiên, khi động cơ RCCI sử dụng nhiên
liệu xăng/biodiesel thì lượng phát thải NOx thấp hơn sơ với động cơ truyền thống
sử dụng biodiesel.
Biodiesel có thể sử dụng trong hệ thống lưỡng nhiên liệu mà không cần thay
đổi kết cấu của động cơ. Khi sử dụng biodiesel như một nhiên liệu hoạt tính cao
trong động cơ RCCI giúp động cơ chạy ổn định hơn so với nhiên liệu diesel
thơng thường. Điều này là do biodiesel có chỉ số cetane cao và trong thành phần
hóa học có chứa oxy. Hơn nữa, khi sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên/biodiesel
thì hiệu suất nhiệt cao hơn 1,6% so với sử dụng khí thiên nhiên/diesel [3].
1.2.4.2. Phương pháp đơn nhiên liệu kết hợp với phụ gia
Phương pháp đơn nhiên liệu thường được sử dụng cùng với nhiên liệu hoạt
tính thấp. Để tạo ra gradient phản ứng thì cần một số chất giúp cải thiện chỉ số
cetane được hòa trộn với nhiên liệu hoạt tính thấp, sau đó hỗn hợp được phun trực
10


tiếp vào trong xylanh như một nhiên liệu hoạt tính cao. Hai chất giúp cải thiện chỉ
số cetane được sử dụng trong động cơ RCCI là 2-ethylhexyl nitrate (2-EHN) và
di-tert-butyl peroxide (DTBP). Đặc tính nhiên liệu của phụ gia được chỉ tra trong
Bảng 1.1. Khi so sánh giữa hỗn hợp nhiên liệu gồm xăng/diesel và xăng/xăng+2EHN trong động cơ RCCI nhiều xylanh cho thấy, khả năng kiểm soát giai đoạn
đạt 50% quá trình cháy (CA50) của nhiên liệu xăng/xăng+2-EHN kém hơn trường
hợp xăng/diesel. Nguyên nhân là do khả năng bay hơi tốt của hỗn hợp
xăng/xăng+2-EHN làm cho mức độ phân lớp của hỗn hợp kém hơn trường hợp

xăng/diesel. Kết quả cũng chỉ ra rằng, hàm lượng NOx tăng khi dùng hỗn hợp xăng
+2-EHN do nhóm nitrate có trong 2-EHN (Bảng 1.1).
Bảng 1.1 Đặc tính của nhiên liệu phụ gia nâng chỉ số cetane [3]

Chemical formula
Molecular structure

Lower heating value (MJ/kg)
Stoichiometric air fuel ratio in mass
Liquid density at 25oC

2-EHN

DTBP

C8H17NO3

C8H18O2

27.4
8.46
0.963

33.8
10.85
0.796

Một nghiên cứu khác sử dụng DTBP trong phương pháp đơn nhiên liệu với
động cơ RCCI cỡ lớn, thí nghiệm được thực hiện tại mức IMEP là 6 và 9 bar. Kết
quả cho thấy hiệu suất nhiệt và phát thải tương đương với phương pháp sử dụng

lưỡng nhiên liệu.
1.2.5 Tỉ lệ nhiên liệu
Tỉ lệ nhiên liệu là một thơng số có thể ảnh hưởng đến các phản ứng bên trong
xylanh. Mức độ phản ứng của nhiên liệu có thể được xác định bằng chỉ số cetane.
Số cetane trong xy lanh xác định từ công thức sau:
CNdual-fuel =
Trong đó, CNdual-fuel là số cetane của nhiên liệu trong xy lanh, CNlow và CNhigh
là số cetane của nhiên liệu LRF và HRF, e và high là tỷ lệ mole của LRF và HRF.
Bằng cách thay đổi tỷ lệ nhiên liệu, hoạt tính của hịa khí trong xy lanh sẽ thay đổi
dẫn tới góc cháy trễ thay đổi. Thơng thường, góc cháy trễ sẽ tăng khi tỷ lệ nhiên
liệu LRF tăng.
Có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của tỉ lệ nhiên liệu hoạt tính thấp (LRF)
tới hiệu suất và sự hình thành phát thải trong động cơ RCCI. Tỉ lệ nhiên liệu LRF
trong động cơ RCCI có thể lên tới 90%. Khi tăng tỉ lệ nhiên liệu LRF, thời điểm
11


(theo góc quay trục khuỷu) tại vị trí nhiên liệu cháy được 50% sẽ bị lùi lại (CA50).
Điều này là do khi tăng tỉ lệ LRF thì thời gian cháy trễ tăng lên, do đó làm trễ
CA50.
Đã có nhiều nghiên cứu công bố về vấn đề tăng tỷ lệ LRF nhưng các kết quả
đưa ra lại rất khác nhau. Nhiều công bố cho rằng, khi tăng tỉ lệ LRF giúp cải thiện
công suất, nhiên liệu và phát thải của động cơ, nhưng một số nghiên cứu khác lại
cho kết quả ngược lại. Điều này có thể do những khác biệt về đặc điểm kĩ thuật
của các động cơ nghiên cứu về thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu, đặc tính của
nhiên liệu…
Khi tăng tỉ lệ LRF, phát thải NOx giảm xuống do nhiệt độ buồng cháy giảm.
Tuy nhiên, khi quan sát trong Bảng 1.2 vẫn có một trường hợp cho kết quả phát
thải NOx tăng. Nguyên nhân là do trong q trình thí nghiệm, nhằm đảm bảo được
góc CA50 khơng đổi thì phải giảm tỷ lệ EGR, trong khi tăng tỷ lệ LRF. Việc giảm

EGR sẽ dẫn đến tăng phát thải NOx, tuy nhiên mức độ phát thải NOx vẫn thấp hơn
tiêu chuẩn EURO VI.
Bảng 1.2 Ảnh hưởng của các thông số khi thay đổi tỉ lệ LRF [3].
Fuel low/high

Load

LRF ratios

SOI

EGR

Gasoline/diesel
Gasoline/diesel

9.0 bar

82%, 86%, 89%

11 bar

78%, 82%, 85%

Gasoline/diesel

9.3 bar

68-84%

42.5%

0-90%

45%

Gasoline/diesel
8.5 bar

50-80%

-50o

Varied

Gasoline/diesel
+11% EHN

4.0 bar

55-70%

-46o

0%

NG/diesel

9.0 bar

-87.3o

0%

50-85%

-27o

50%

80%, 85%, 90%

N-butanol/biodiesel

PP
RR

NOx

↑

→

↓

↓

→

↓

↓

↓

↓

35%
-35

o

5.5

↑

→

↓

↓

0-78%
0-80%

Methanol/diesel

CA
50

-67o

Gasoline/diesel

Gasoline/DME

Perfor
mance

0%

↑

→

↑
↓

Soot

UHC

CO

↑

↑

↓

↑

↑

↓

↑

↑

↓

↓

↑

↑

↑

-

↑↓

↑↓

↓

-

↑

↑

↓

↓

↑

↑

↓

↓↑

↑↓

→

↓

↓

↓

↑

→

↑

↓

↓

↓

↓

↑

Gasoline/biodiesel

3 bar

0-80%

0%

Methanol/biodiesel

Low

0-80%

0%

↓

↓

Medium

0-80%

0%

↑

↑

↓

↓

↑

High

0-80%

↑

↑

↑↓

↓

↑↓

↑

↑ increase; ↓ decrease; - flat; → retard; ← advance

1.2.6 Phương pháp phun nhiên liệu
1.2.6.1 Số lần phun
Số lần phun là số lượng xung phun trong một chu trình cơng tác, có ảnh
hưởng đến sự phân bố của HRF và hình dạng của hịa khí bên trong xy lanh.
Người ta đã tiến hành thí nghiệm so sánh giữa phun một lần với phun hai lần, sử
dụng nhiên liệu iso-octane và n-heptane ở chế độ 4,75 bar IMEP.

12


Hình 1.6 Tốc độ tỏa nhiệt và giá trị đỉnh của nhiệt tỏa ra
khi thay đổi thời điểm bắt đầu phun [3].

Trường hợp phun hai lần, khoảng cách giữa 2 lần phun được cố định là 25
độ góc quay trục khuỷu và 55% lượng HRF được phun ở lần phun đầu tiên. Hình
1.7 thể hiện tốc độ tỏa nhiệt tại các thời điểm phun khác nhau. Thời điểm bắt đầu
phun là 35o CA BTDC thì tia phun kép có đỉnh tốc độ tỏa nhiệt cao hơn trường
hợp phun một lần.
1.2.6.2 Thời điểm bắt đầu phun
Thời điểm bắt đầu phun là một thơng số quan trọng nhất trong nhiều biến số
có thể điều chỉnh được trong phương pháp phun nhiên liệu vì nó có thể xác định
được đặc tính cháy. Thời điểm phun HRF có thể ảnh hưởng tới q trình hịa trộn
nhiên liệu phun với khơng khí và LRF. Q trình hịa trộn này ảnh hưởng tới đặc
tính của q trình cháy. Nếu tăng thời gian phun nhiên liệu thì q trình phản ứng

có thể kiểm sốt một cách dễ dàng.
Trong động cơ diesel thơng thường, q trình cháy được xem như q trình
kiểm sốt hịa trộn hỗn hợp nhiên liệu/khơng khí. Các nhà khoa học đã sử dụng
một phương pháp để xác định sự phân bố của nhiên liệu trước khi đánh lửa, khi
đánh lửa và trong quá trình cháy của hệ thống common-rail với thời gian phun
lần lượt là 145°, 50°, 15° CA BTDC. Có thể thấy nhiệt lượng giải phóng của
trường hợp góc phun 145° và 15° đều cao hơn so với góc phun 50°.

13


Hình 1.7 Nhiệt lượng giải phóng với các góc phun khác nhau [3]

1.2.7

Tỉ số nén

Tỉ số nén là một thông số kết cấu quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của
động cơ. Thực nghiệm được tiến hành với động cơ có tỉ số nén 14 và 17 ở nhiều
tốc độ khác nhau của động cơ, kết quả cho thấy tỉ số nén có thể ảnh hưởng đến
nhiệt độ khí ln hồi (EGR). Nhiệt độ EGR ở động cơ tỉ số nén 14 thì cao hơn so
với động cơ có tỉ số nén 17 do quá trình cháy diễn ra chậm hơn. Hiệu suất nhiệt
của động cơ tỉ số nén 14 tại 1200 vòng/phút cũng cao hơn so với động cơ tỉ số
nén 17. Tuy nhiên, khi tốc độ động cơ tăng lên 1800 vịng/phút thì hiệu suất nhiệt
của động cơ tỉ số nén 17 lại cao hơn. Phát thải NOx của động cơ tỉ số nén 14 thấp
hơn nhưng thành phần hydrocarbon chưa cháy (UHC) lại cao hơn. Tại nhiều chế
độ tải khác nhau, động cơ tỉ số nén 14 có thời gian cháy trễ lớn hơn, thời gian
cháy và tỉ lệ nhiệt lượng giải phóng cũng thấp hơn. Do đó, nên dùng tỉ số nén
thấp tại tải cao vì giới hạn tốc độ tăng áp suất của động cơ.
1.2.8

Hình dạng đỉnh piston

Hình dạng đỉnh piston là một thơng số kết cấu trúc khác có ảnh hưởng đến
q trình hịa trộn nhiên liệu cũng như quá trình cháy. Kết cấu đỉnh piston trong
động cơ diesel thông thường được thiết kế để tối ưu q trình hịa trộn nhiên liệu.
Trong động cơ RCCI, LRF được hịa trộn trước với khơng khí, do đó cần thiết kế
một loại piston phù hợp cho việc hòa trộn trước của nhiên liệu.
Bề mặt tiếp xúc có thể ảnh hưởng tới q trình trao đổi nhiệt trong buồng
cháy. Để giảm sự trao đổi nhiệt, tỉ lệ diện tích trên thể tích phải giảm. Tuy nhiên,
khi giảm tỉ lệ diện tích trên thể tích lại làm tăng đường kính của buồng cháy trên
đỉnh piston, điều này cho phép tăng thời điểm phun sớm trong động cơ RCCI.
Hình 1.9 cho thấy hai hình dạng đỉnh piston được kiểm nghiệm so sánh với
piston nguyên bản. Khi sử dụng hai đỉnh piston mới thì quá trình phun nhiên liệu
được tối ưu, hiệu suất nhiệt tăng từ 37% lên tới 40% tại 2600 vòng/phút, 6.9 bar
IMEP. Phát thải NOx và PM nằm trong giới hạn quy định mà không cần xử lý khí
14


thải.

Hình 1.8 Hình dạng của các đỉnh piston trong động cơ RCCI.

15


1.3 Kết luận chƣơng 1
Từ những nghiên cứu tổng quan ở trên cho thấy, việc chuyển đổi động cơ
diesel nguyên bản sang sử dụng phương pháp cháy kiểu cháy nén có kiểm sốt
hoạt tính của nhiên liệu (RCCI) hồn tồn khả thi nhằm giảm NOx và bồ hóng

với những lưu ý dưới đây.
1. Về nhiên liệu sử dụng, có thể dùng đơn nhiên liệu hoặc lưỡng nhiên liệu.
Phương pháp lưỡng nhiên liệu cho phép điều khiển quá trình cháy dễ
dàng hơn phương pháp đơn nhiên liệu. Nhiên liệu hoạt tính thấp nên
chọn là xăng sẽ có nhiệt trị cao hơn ethanol và methanol. Nhiên liệu hoạt
tính cao có thể sử dụng nhiên liệu truyền thống là diesel. Trường hợp sử
dụng biodiesel làm nhiên liệu hoạt tính cao sẽ có hiệu quả giảm NOx rõ
nét hơn.
2. Số lần phun và thời điểm phun ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất và mức
phát thải của động cơ RCCI. Việc điều chỉnh thời điểm và lượng nhiên
liệu phun tối ưu chỉ có thể áp dụng trên động cơ diesel truyền thống sử
dụng hệ thống phun kiểu điện tử.
3. Tỷ số nén thể hiện vùng hoạt động của RCCI. Tỷ số nén càng cao thì
vùng hoạt động RCCI càng bị thu hẹp. Tỷ số nén tối ưu nằm trong
khoảng 15:1.
4. Do chuyển sang nạp hỗn hợp đồng nhất nên đỉnh piston cần được thay
đổi để phù hợp với dạng hỗn hợp này.

16